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Sociedad Mexicana deIngeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

Corte de gran altura en depósito de talud, rediseño de acuerdo a las condiciones observadas durante la construcción

Cut high-rise in bond slope redesign according to the conditions observed during construction

Ieve MARTÍNEZ1, Victor MACEDO1, Diego PEREZ2 y Edmundo NAJERA3

1FCC Construcción2ICA Ingeniería, 3ICA Construcción Pesada.

RESUMEN: En la ejecución de los estudios exploratorios para el diseño geotécnico de los cortes en la Autopista México – Tuxpan, subtramo Nuevo Necaxa – Ávila Camacho y en especial el tramo 3, ubicado en los kilometrajes 857+000 al 867+000 se presentaron inconvenientes de tipo topográfico, pues la zona era de difícil acceso con equipos de perforación; aunado a la falta de liberación de derecho de vía que permitiera entrar por el trazo de la carretea y se pudieran efectuar los estudios requeridos, por ello se generalizaron para esa zona las características de los materiales en función de los pocos sondeos hechos en el sitio. Posteriormente y con la premura de tiempo que una obra de este tipo requiere se inicio la excavación con equipo pesado, encontrándose discrepancias entre los materiales iniciales y los allí existentes, lo que provocó una revisión exhaustiva y detallada de las nuevas condiciones.

ABSTRACT: In carrying out exploratory studies for the geotechnical design of the cuts on Highway Mexico - Tuxpan, subsection Nuevo Necaxa - Ávila Camacho and especially the section 3, located in the Km 867+000 to 857+000 disadvantages were presented topographic type, since the area was inaccessible to drilling equipment, coupled with the lack of release of right of way that allowed entry by the line of taxis and make the necessary studies could therefore be generalized for the area the characteristics of the materials on the basis of the few surveys made on the site. Subsequently, with the pressure of time that a work of this kind is required beginning the excavation with heavy equipment, finding discrepancies between the starting materials and the existing there, prompting a thorough and detailed review of the new conditions.

1 INTRODUCCIÓN[1.1] Ubicación del corte denominado “La ardilla” en el trazo de la autopista México – Tuxpan subtramo Nuevo Necaxa – Ávila Camacho.El subtramo Nuevo Necaxa – Ávila Camacho se encuentra dividido para su construcción en 4 tramos, que suman un total de 37 km cruzando la parte más abrupta de la sierra madre oriental, estos tramos son: Tramo 1: del km 840+000 al km 850+000 Tramo 2: del km 850+000 al km 857+000 Tramo 3: del km 857+000 al km 867+000 Tramo 4: del km 867+000 al km 877+000

El corte “La ardilla” se encuentra localizado a la salida del puente del mismo nombre, exactamente entre los km 866+580 al 866+900 ya hacia el final del tramo 3.

Como ya se mencionó la zona se caracteriza por ser muy montañosa, lo que dificulta la obtención de datos topográficos confiables. Se realizaron estudios fotogramétricos iniciales para obtener un modelo digital y proyectar los taludes, aunque tiene la

desventaja de manejar diferencias considerables en las elevaciones debido a las copas de los árboles y a lo denso de la cobertura vegetal.

1.1[1.2] Aspectos geológicos generales del corte “La ardilla”El tramo 3 de la autopista; se encuentra caracterizado en términos generales por las rocas sedimentarias de las Formaciones Pimienta (Jsp) y Tamaulipas (Kit) con una dirección general favorable con respecto a las estructuras geológicas.

El contraste en el relieve está controlado por la geología así: la unidad de Ladera superior está constituida por rocas sedimentarias plegadas de edad jurásica-cretácica, las cuales presentan una gran cantidad de arroyos, con un patrón de drenaje principalmente dendrítico, pero que en ocasiones presentan un control estructural, lo cual es evidente en sus cauces rectilíneos. La profundidad de disección es bastante grande, alcanzando hasta 700 700 m.

Esta topografía tan abrupta que se observa, se explica por el contraste litológico entre las unidades

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

2 Título del trabajo

de lutitas, calizas y areniscas, y los pliegues anticlinales y sinclinales que formaron sierras y valles.

Los suelos presentes en el tramo tres (3), comprendido desde el km km 857+000 hasta el km km 867+000, presentan dos zonas homogéneas de geomorfología representativa:

Suelos residuales provenientes de la meteorización de las rocas calizas de las formaciones Tamaulipas (kit) y Pimienta (Jsp). Corresponden principalmente a suelos limosos y arcillosos con arenas con espesores menores de 5m.

Depósitos de ladera (Qc) conformados por bloques y cantos de roca en matriz limoarcillosa con espesores que varían entre los 5m y los 30m.

Figura 1. Planta de zonificación geológica.

En este subtramo se localizan superficialmente suelos residuales y depósitos de coluvión en matriz limo arcillosa de plasticidad media a alta (CH-MH). El terreno natural presenta una pendiente que varía de moderada a fuerte (20% a 70%).

Figura 2. Perfil geológico del corte “La ardilla”.

Figura 3. Sección geológica típica del corte “La ardilla”.

[1.3] Descripción detallada de las formaciones existentes.Qsr: Suelos residuales provenientes de la meteorización de las rocas de las Formaciones Pimienta (Jsp) y Tamaulipas (Kit), así como de los depósitos de coluvión (Qc). Se componen principalmente de partículas tamaño arcilla y limo con bajo contenido de arenas. Corresponden en general a suelos clasificados como CH (arcillas de alta plasticidad). Poseen una consistencia que varía de media a alta (IP>20) y se presentan suprayaciendo los depósitos mencionados en espesores por lo general de 5 metros.

Qc: Depósitos de coluvión de composición diversa influenciada por el tipo de roca del cual proviene. Se compone de acumulaciones de materiales granulares y finos sin consolidar de formas angulares a subredondeadas y de tamaños diversos de hasta más de 2.0m.

En la mayoría de los casos los depósitos tienen un espesor superior a los 15m y se encuentran asociados a caídas de bloques de roca y deslizamientos.

Jsp: Formación Pimienta. Calizas gris oscuro y negro en estratos gruesos de 14 a 60 60 cm y Calizas arcillosas en estratos delgados de 10 a 12 12 cm, con interestratificación de lutitas carbonosas delgadas. Las rocas presentan contenido notable de materia orgánica, se encuentran cortada por vetillas de calcita y se observan microestilolitas rellenas de arcilla. La calizas de la unidad se caracterizan por la presencia de nódulos de oxido de hierro y por su fracturamiento concoideo. Se localiza en los flancos de las estructuras anticlinales en la porción topográfica media y baja de las laderas del Río San Marcos.


(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

Figura 4. Calizas arcillosas con estratificación de lutitas.

2 ESTUDIOS INICIALES Y DISEÑO DEL CORTE “LA ARDILLA”[2.1] Exploraciones y sondeos para la caracterización de los materiales.

La investigación geotécnica inicial consistió en la realización de 26 pozos a cielo abierto, 19 barrenos y 6 sondeos profundos, distribuidos a lo largo del km km 857+000 hasta el km 867+000 del proyecto de la Autopista Nuevo Necaxa – Ávila Camacho, con los correspondientes ensayos de campo y laboratorio.

Se realizaron seis (6) sondeos profundos ejecutados con un equipo de perforación a rotación, del cual se obtuvo muestreo alterado por el método de penetración estándar, así como muestras inalteradas obtenidas con tubo de pared delgada tipo Shelby. Los sondeos profundos se ubicaron en los cortes abiertos de más de 30 m de altura.

[2.2] Consideraciones para el análisis y el diseño.

El análisis de estabilidad de los cortes en roca con-sistió en determinar la máxima inclinación del corte, en la cual se minimicen los requerimientos de medi-das de protección y contención para sostener las cu-ñas y los bloques potencialmente inestables.

Se usaron diversos criterios para la obtención de los parámetros de diseño, utilizando tanto los resultados de las pruebas de laboratorio efectuadas a los núcleos de roca y análisis geomecánicos empleando las clasificaciones de Barton y Bieniawski, y empleando la metodología propuesta por Hoek, estimando el ángulo de fricción interna, cohesión, resistencia a la compresión, modulo de deformación, constantes m y s del material intacto y fisurado.

Los resultados del análisis de estabilidad, arrojaron las inclinaciones para los taludes de acuerdo a la tabla de la figura 5.

Figura 5. Inclinaciones y factores de seguridad obtenidos del análisis de estabilidad.

Se evaluaron las condiciones de estabilidad de los taludes de cortes abiertos en suelo, para los siguientes escenarios de análisis: Condición normal al final del corte. Condición normal a largo plazo después de reali-

zarse el corte. Condición extrema con fuerte ascenso del nivel

freático producido por lluvias intensas y/o inundaciones.

Condición extrema bajo la ocurrencia de un evento sísmico.

Los tratamientos en el diseño original contemplaban la colocación de pasto en el suelo residual, malla para contener la caída de bloques y drenes transversales para el abatimiento del nivel freático y el equilibrio de presiones al interior del corte.

[3] CONDICIONES REALES DEL SITIO Y CONSIDERACIONES PARA EL REDISEÑO.[3.1] Inicio de las excavaciones y revisión de las nuevas condiciones.Aunque para la idealización del modelo se consideró una roca de buena calidad, al iniciar los trabajos de excavación del corte se encontraron variaciones que obligaron a reconsiderar la metodología usada para el rediseño, en función de las características in situ del material.

Ahora, con el proceso de construcción en ejecución, se ha establecido que los materiales excavados y por excavar, están conformados por una serie de capas de calizas fracturadas muy plegadas, con presencia de fallas locales y zonas de cizalla, de la formación Pimienta (Jsp). Sobre la roca se presenta un estrato de caliza muy fracturado, relajado y plegado, cuyo espesor varía entre 10 y 20 20 m, y un depósito de coluvión (Qc) compuesto por bloques, cantos y gravas de caliza, en matriz arcillosa, de plasticidad media a alta, con un espesor que varía entre 10 y 15 15 m. Teniendo en cuenta lo anterior, y los desprendimientos del material durante la excavación, se concluye que las condiciones de estabilidad que presentan estos materiales son más desfavorables que las establecidas inicialmente en la etapa de diseño, con la información geológica disponible en la etapa de diseño.



Figura 6. Inicio de las excavaciones y ubicación del material de depósito.

2.1[3.2] Primera revisión para la estabilidad del corte “La ardilla”Debido a que el terreno presenta condiciones de inestabilidad importantes por la presencia de un depósito de talud cuyo origen es un antiguo deslizamiento y a que en las zonas donde aflora la roca in-situ ésta presenta baja calidad, ha sido necesario modificar el diseño original del corte en su geometría y tratamientos.

Figura 7. Inicio de las excavaciones y ubicación del material de depósito.

Con el nuevo diseño el corte tendrá una altura del orden de 100m en el km 866+680, y a que no se sabe con certeza en donde se encuentra el contacto del depósito de talud con la roca in-situ, es probable que se tenga que abatir aún más el corte entre el km 866+640 al 866+740.

[3.3] Definición de la nueva sección geológica, taludes y sostenimiento del corte.Para mejorar las condiciones de estabilidad del talud hacia el lado izquierdo, entre los cadenamientos K866+640/720, se recomendó ejecutar el corte con inclinaciones 1,0H: 1,0V desde la subrasante (Elevación 523 523 msnm aprox.), hasta la elevación

610 msnm, con bermas intermedias de 4 4 m en las elevaciones 550, 580 y 610 610 msnm. Seguidamente, y a partir de la berma en la 610 610 msnm, el corte se debe ejecutar con inclinación 1,25H: 1,0V hasta encontrar el terreno natural.

Figura 8. Sección geológica y definición de taludes.

Las secciones complementarios del corte (K866+580/640 y K866+720/900) se recomendó ejecutarlos con inclinaciones 0.25 H:1.0 V entre la subrasante de la vía y una berma (también de 4 4 m) en la elevación 550 550 msnm y seguidamente con inclinación 1.0 H:1.0 V hasta cortar el terreno natural. En el talud del lado derecho, se recomienda ejecutar el corte con inclinación 0,25H: 1,0V hasta la elevación 545 545 msnm y de ahí hacia arriba, con inclinación 1,0H: 1,0V hasta encontrar el terreno natural (Sin bermas).

Como medida complementaria y dada la altura total del corte (100 100 m aprox.) y la baja resistencia de la caliza se recomendó la colocación de un patrón sistemático de anclas de L=12 12 m, de =1 ½”, inclinadas 10° hacia abajo con la horizontal, espaciados cada 3,0x3,0 0 m al tresbolillo y la colocación de una capa de concreto lanzado de 10 cm de espesor, para ejercer el confinamiento y contrarrestar el efecto de concentración de esfuerzos en la base del corte. Este tratamiento se recomendó colocar desde el nivel de subrasante hasta la berma en la elevación 580 msnm; finalmente se debe llevar a cabo la instalación de un patrón sistemático de huecos de drenaje de L=12 12 m, en malla de 6,0 0 x x 6,0 0 m al tresbolillo, inclinados 5° con la horizontal.

Como medida de seguridad en el largo plazo, para evitar la caída de bloques del coluvión y del estrato de roca caliza (toppling), debido a la meteorización y al efecto erosivo que las aguas lluvias puedan ocasionar, se recomienda la colocación de una malla de alambre de acero de alta resistencia con forma romboidal (83x143 83x143 mm) de 3 3 mm de calibre y una de (292x500 292x500 mm), tipo Red Spider (Geobrugg) o similar. Dicha cortina de protección se deber fijar al



terreno con anclas de fijación de L=2,0 m espaciados en malla cada 2,0x2,0 0 m.

2.2[3.4] Segunda revisión para la estabilidad del corte “La ardilla”Debido a las difíciles condiciones del terreno, y a medida que se avanzó con las excavaciones del talud, se presentaron nuevas dificultades con la estabilidad del corte, lo que hizo necesario ajustar nuevamente el diseño, para garantizar la estabilidad del talud.

El corte “La Ardilla” originalmente fue proyectado con una altura aproximada de 50 50 m, con pendiente general de 0.25:1 y de 1:1 en la parte más alta y con dos bermas intermedias. Debido a las condiciones geológicas desfavorables encontradas durante la fase de excavación, se realizaron estudios de exploración complementarios mediante geofísica sísmica de refracción y con ello se procedió a la modificación de la geometría del corte quedando con una altura de 100 100 m, pendiente general 1:1 y con 3 bermas ubicadas a cada 30 30 m de altura.

Figura 9. Modelo sísmico de los estudios geofísicos adicionales.

A pesar del cambio anterior, al reinicio de las excavaciones de presentaron nuevamente movimientos en la parte superior de corte por lo que se decidió volver a modificar la pendiente del corte quedando 1.25:1, con una altura de 145 145 m y sin bermas intermedias, manteniendo las mismas medidas se sostenimiento que el revisión 1. Este es el diseño actual que se ha seguido para la conformación del corte.

2.3[3.5] Condiciones geológicas de la segunda revisiónDurante los estudios geológicos iniciales se reportó en esta zona la presencia de un material producto de un deslizamiento antiguo, caracterizado por bloques de roca caliza de diverso tamaño envueltos en limo y

arcilla plástica. Bajo el material de deslizamiento el terreno está constituido por rocas calizas de estratificación delgada a media, muy fracturada, relajada y con alteración que varía de incipiente a media, dependiendo de la zona del corte que se observe. El espesor de roca con estas características aún no está bien definido ya que la geofísica penetró solo hasta 20 20 m por debajo de la superficie del terreno anterior a la excavación, mostrando valores de velocidad aún muy bajos (menos de 1100 1100 m/s).

La estructura sedimentaria que se observa en diversos afloramientos presenta un buzamiento hacia el SW con echados de 15º a 25º en todo el corte, solo con algunos cambios locales en el echado de las capas debido a la presencia de plegamientos cortos. Debido a que el rumbo de los estratos es perpendicular al del talud, las condiciones de estabilidad respecto a esta estructura son favorables.

Figura 10. Vista frontal y evidencia del material inestable.

Los cambios en las condiciones geológicas que propiciaron las modificaciones en la geometría del corte fuero principalmente el espesor del material de deslizamiento y el grado de relajamiento que presenta el macizo rocoso por detrás de la base del mismo.

Actualmente, con la excavación realizada siguiendo el último diseño, el material producto del deslizamiento ha sido retirado prácticamente en su totalidad, sin embargo aún quedan zonas cubiertas por este depósito aunque se presume presentan poco espesor.

En términos generales, en la superficie del corte se puede observar al macizo rocoso sedimentario que fue la base del deslizamiento, la roca se presenta fracturada, fuertemente relajada y alterada.



De acuerdo con la información observada (ver figura No. 12), la excavación está prácticamente terminada, faltando retirar en algunas zonas del talud un espesor aproximado de 2 a 5 5 m, por lo que la roca expuesta es ya representativa del material que conformará la superficie final del talud.

2.4[3.6] Tercera revisión para la estabilidad del corte “La ardilla”La superficie del talud no ha quedado conforme al proyecto, esto es, con una sola pendiente de 1.25:1, sino que han quedado una superficie escalonada provocada por el procedimiento empleado en la excavación y también por las características del fracturamiento que presenta el terreno.

En la parte alta del corte por arriba de la cota 635 y en una altura aproximada de 20 20 m, está expuesta la roca caliza menos alterada pero todavía bastante relajada, con cavidades pequeñas de disolución y fracturas entre estratos abiertas, que ha provocado que el anclaje hasta ahora instalado sea poco eficiente y con alto consumo de mortero de inyección.

Por abajo de la cota 635 en la zona central del corte, el macizo rocoso está constituido por roca muy relajada y sin mostrar claramente su estructura estratificada. En esta zona es probable que aún esté parte del material de depósito de deslizamiento.

El terreno está formado por una gran cantidad de bloques de roca caliza con algo de arcilla empacándolos.

Hacia los lados del corte sobre la superficie se aprecia ya la estructura sedimentaria con estratos de espesor delgado a medio aunque sigue presentándose bastante relajada y alterada la roca.

Las zonas laterales del corte, como la mostrada en la figura figura 12, con la excavación actual empiezan a presentar los afloramientos de roca caliza con los planos de estratificación más marcados, lo que se puede interpretar que formaron la base del deslizamiento.

En este momento se toma la decisión de realizar un análisis de estabilidad nuevo, esta vez considerando variaciones en los parámetros de resistencia y asumiendo el comportamiento como un suelo debido al desconfinamiento de la masa rocosa provocado por el material arcilloso presente entre las capas de roca caliza.

De los resultados de este análisis y con el fin de definir si la superficie de falla se encuentra muy profunda o solo se presenta en el contacto entre el material de depósito y la masa rocosa, se definirá si es necesario un rediseño total del talud o solamente se pensara en un tratamiento superficial que evite inestabilidades locales y caída de bloques a la autopista.

Cabe Aclarar que el talud en las condiciones actuales no es aceptable, ya que presenta una serie de escalones y taludes con pendiente de 0.5:1 a 1:1,

que si bien en promedio dan una pendiente general de 1.25:1, propician la caída constante de fragmentos de roca y la inestabilidad local entre escalones, por lo que se deberá perfilar adecuadamente.

2.4.1[3.6.1] Análisis de estabilidad considerando el criterio de falla circular en suelosSe efectuaron las revisiones al corte actual, planteando 3 tipos de falla bajo las siguientes:

Estática. Cada plano se analizó empleando los siguientes parámetros de resistencia: Ángulo de fricción: de 20º a 30º de 2º en 2º

grados y Cohesión: 0 y 1 1 kg/cm2 Peso volumétrico del terreno: 2.4 4 t/m3

En total se hicieron 12 análisis combinando ángulo de fricción y cohesión.

Empuje hidrostático. Los análisis se realizarán empleando las mismas combinaciones de parámetros de resistencia y la línea de NAF indicada en cada plano.

Fig. 11. Revisión del corte en su estado actual (Rev. 2).

Al revisar los resultados y notando la sensibilidad del modelo a valores bajos de cohesión considerados y que coincidían con el comportamiento del material en campo se decidió plantear un rediseño del corte.

Con las líneas geofísicas ejecutadas en el área del corte es ahora posible ver la distribución y profundidad del depósito de deslizamiento que aún se encuentra en esa zona.

El cambio en la velocidad Vp de 1100 1100 m/s a 1800 1800 m/s que muestran las diversas secciones de exploración puede ser considerado como el límite basal del depósito. Sin embargo, la velocidad de 1800 1800 m/s no representa que el macizo rocoso sea de buena calidad, sino que es la frontera donde no hubo movimiento.



El terreno con velocidad de 1800 1800 m/s seguramente caracteriza al macizo rocoso relajado, fracturado y con alteración incipiente, por lo que siempre va a ser necesario ejecutar tratamientos para su estabilidad a largo plazo. Ya con el contacto entre el material de depósito y la roca de mejor calidad, se decidió proponer:

La parte superior del terreno entre 635 y 585 es factible dejar un corte con pendiente 0.6:1. Este corte deberá ser reforzado con anclajes de 1 ½” de diámetro y 12 12 m de longitud en patrón de 3 3 x x 3 a 2.5 5 x x 2.5 5 m cuyo objetivo será el de dar confinamiento al terreno relajado, drenes de 12 12 m de largo y protegido superficialmente con concreto lanzado de 10 10 cm de espesor reforzado con malla electrosoldada (no fibras) sujeta al terreno por medio del anclaje largo y anclas cortas locales.

Fig. 12. Sección transversal para la estabilidad del corte, rev. 3.

Los tratamiento de los cortes entre las elevaciones 585 y 523 consistirían en drenaje y protección superficial por medio de malla triple torsión.

Continuado con la excavación y tratamiento en la parte alta del corte entre los km 866+660 a 866+740. La excavación se realiza mediante perforaciones de precorte y voladuras controladas para tratar de obtener una superficie más uniforme del talud.

Debido al grado de fracturamiento que aún presenta el macizo rocoso en este nivel, que propicia la formación de muchos bloques aislados de roca, se puede decir que la superficie de la excavación está quedando más regular que antes y en buenas condiciones, aunque la superficie final lograda sigue estando regida por el propio fracturamiento del terreno.

2.4.2[3.6.2] Análisis de caída de bloques sobre el talud y medidas adicionalesSe realizó un modelo de caída de bloques, lo que arrojo la colocación de un muro tipo alcancía para

retener los bloques que pudieses rodar por la cara del talud del corte hasta la autopista.

Fig. 13. Revisión de caída de bloques.

3[4] OTRAS OPCIONES

La solución empleando túneles falsos es factible de ejecutar debido a que el depósito de deslizamiento termina al nivel del camino y no se esperarían problemas por bufamiento (levantamiento) del terreno que los afectara el piso de los túneles.

Sin embargo, se debe diseñar un pedraplén sobre los túneles que evite la reactivación del deslizamiento y el empuje sobre éstos, ya que se provocaría un desplazamiento lateral de estas estructuras. Los túneles se localizarían entre los Km 868+620 y el 868+820 con que se libraría totalmente la inestable y de mayor riesgo.

En la parte superior del relleno se dejaría una plataforma con pendiente latera y frontal de 2% cubierta de material impermeable para evitar la infiltración de agua. También se colocaría un muro tipo alcancía de 2.0 0 m de altura y una cuneta al pié del corte.

Fig. 14 Conceptual de los túneles falsos.



4[5] ESTADO ACTUAL DEL CORTE Y ESTUDIOS COMPLEMENTARIOS

Actualmente el corte “La ardilla” se ha mantenido estable, por lo cual aun se está estudiando las posibles alternativas adicionales, como la colocación de inclinómetros para instrumentar los posibles desplazamientos que pudieran presentarse.

Fig. 15. Vista isométrica de la última revisión del corte la ardilla.

Parece hasta ahora, sin que aun se tenga resuelto el problema en “La ardilla” que las acciones complementarias serán las de implementar una campaña muy meticulosa y detallada a nivel superficial, como por ejemplo malla bien anclada para contener los bloques potencialmente inestables, concreto lanzado en las zonas donde visiblemente se requiere confinamiento, encausamiento del agua de lluvia, etc.

La instrumentación mediante inclinómetros y colocación de dianas para lectura de desplazamientos en la cara del corte se implementarán a corto plazo a fin de contar con información adicional que ayuden a predecir el comportamiento del corte.

REFERENCIAS

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Deere, D.U y Miller, R.P. (1966) “Engineering classifications and index properties for intact rock”

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Braja, M. Das. (2001) “Fundamentos de ingeniería geotécnica”, Thomson Learning, México.


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